JP2004096938A

JP2004096938A - リニアモータの制御装置

Info

Publication number: JP2004096938A
Application number: JP2002257423A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ito; 伊東　淳一; Ikuya Sato; 佐藤　以久也; Hitoshi Hamanaka; 浜中　仁
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: JP4096665B2

Abstract

【課題】位置センサを用いずにピストン等の可動部同士の衝突を回避してリニアモータの破損を防止する。
【解決手段】単相インバータ２の出力電圧（出力電圧指令及び出力電圧検出値を含むものとする）の大きさに応じて、ピストンの位置を制御するためのオフセット指令発生器２６と、オフセット電圧指令を単相インバータ２の元の出力電圧指令に重畳する加算器２５と、オフセット電圧指令が重畳された出力電圧指令に従って単相インバータ２の半導体スイッチング素子を駆動するための比較器１７，１８、分配器１９、デッドタイム生成手段２０、ゲートドライバ２１等を備える。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリニアモータの制御装置に関し、詳しくは、電力変換器により駆動されてリニアモータの可動部としてのピストン等を往復運動させることにより気体を圧縮するコンプレッサ（いわゆるリニアコンプレッサ）用のリニアモータにおいて、特に、ピストンやリニアモータ自体の破損を防止するようにした制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、電力変換器により駆動される従来のリニアコンプレッサの駆動システムを示しており、この従来技術では、電力変換器として単相インバータを用い、リニアモータとして単相ボイスコイルモータを用いている。なお、この種のリニアコンプレッサは、冷蔵庫等の冷却装置において、膨張した冷媒ガスをシリンダ内のピストンの往復運動により圧縮する場合に使用されている。
【０００３】
図１０において、１は直流電源、２は半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４を有する単相インバータ、３はリニアコンプレッサ、４Ａ，４Ｂはリニアモータ、５Ａ，５Ｂはそれぞれ各モータ４Ａ，４Ｂにより駆動されて気体を圧縮する可動部としてのピストン、６はシリンダ、７はピストンの位置情報を得るための磁気センサ等の位置センサである。
【０００４】
この従来技術の動作を簡単に説明する。
直流電源１に接続された単相インバータ２により、所望の周波数及び振幅の単相交流電圧をリニアモータ４Ａ，４Ｂに供給する。各モータ４Ａ，４Ｂにそれぞれ連結されたピストン５Ａ，５Ｂは、単相インバータ２が出力する周波数に応じて図の左右方向に往復運動を行い、シリンダ６内の気体を圧縮する。
【０００５】
このようなリニアコンプレッサ３では、気体の圧縮時と膨張時とでピストン５Ａ，５Ｂに対する平均圧力が異なると、ピストン５Ａ，５Ｂの中心位置が変動することになる。その結果、最悪の場合にはピストン５Ａ，５Ｂ同士が衝突してリニアモータ４Ａ，４Ｂを破損するおそれがある。
【０００６】
上記不都合を回避するため、従来では、位置センサ７により検出したピストン５Ａの位置情報を制御に用いている。
ここで、図１１は単相インバータ２の制御ブロック図を示している。インバータ２の出力周波数指令を積分器１１により積分して位相各指令θ^＊を求め、正弦波テーブル１２を参照することにより、所望の周波数の正弦波信号を得る。この正弦波信号と電圧指令（振幅指令）とを乗算器１３により乗算し、その結果に係数器１４，１５にて係数を乗じて出力電圧指令を得る。係数器１４から出力された出力電圧指令は加算器２５を介して比較器１７に入力されると共に、係数器１５から出力された出力電圧指令は比較器１８にそのまま入力される。
【０００７】
比較器１７，１８では、上記各出力電圧指令と、キャリア発生器１６から出力される三角波とがそれぞれ比較され、ＰＷＭパルスが生成される。このＰＷＭパルスは、分配器１９を経てデッドタイム生成手段２０により上下アームの短絡を防止するためのデッドタイムが付加された後、ゲートドライバ２１に入力される。ゲートドライバ２１では、ＰＷＭパルスに基づいて単相インバータ２のスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４に対するゲート信号を生成し、これらのゲート信号によってスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４をオン、オフすることにより、所望の振幅及び周波数を有する交流電圧を出力してリニアモータ４Ａ，４Ｂに供給する。
【０００８】
この従来技術において、ピストン位置の制御は、次のように行っている。
すなわち、前記位置センサ７により検出した位置情報を直流分検出手段４２に入力してピストンの中心位置を検出する。また、ピストンの平均位置指令と、直流分検出手段４２により検出したピストンの中心位置との偏差を加算器２３により求める。そして、この偏差を位置調節器（比例調節器や比例積分調節器等）２４に入力してその出力である直流バイアスをオフセット電圧として一方の比較器１７側の出力電圧指令に重畳することで、ピストン５Ａ，５Ｂの中心位置の変動を防止している。
ここで、ピストンの中心位置とは、図１０に示すピストンの駆動方向の変位ｘの中心位置をいう。
【０００９】
なお、ピストンの位置を制御するために位置センサを備えたリニアコンプレッサの従来技術は、以下のように種々存在する（例えば、特許文献１〜３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２９１８８９号公報（段落［００２４］等、［図１］）
【特許文献２】
特開２００１−９０６６１号公報（段落［００３２］，［００３３］等、［図１］，［図２］，［図１０］）
【特許文献３】
特開２００２−１５５８６９号公報（段落［００２８］〜［００３４］，［００５０］，［００５８］等、［図１］，［図３］，［図７］）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示した従来技術では、位置センサ７をシリンダ６内に配置しなければならない。しかしながら、シリンダ６の内部は圧力が高いため、位置センサ７の信号線を引き出すことは構造上、困難であると共に、コストが上昇する原因ともなる。更に、位置センサ７自身も耐高圧性能が必要であるため、この点でもコストを上昇させる要因となっていた。
更に、特許文献２のように位置センサをシリンダに内蔵しないタイプの従来技術においても、位置センサの取付構造が複雑であり、また、位置センサ自体のコストの問題は解消されていない。
【００１２】
そこで本発明は、位置センサを用いることなくピストン等の可動部同士の衝突を回避してリニアモータの破損を防止するようにしたリニアモータの制御装置を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、
電力変換器の出力電圧（出力電圧指令及び出力電圧検出値を含むものとする）の大きさに応じて、前記可動部の位置を制御するためのオフセット電圧指令を発生する手段と、
前記オフセット電圧指令を電力変換器の出力電圧指令に重畳する手段と、
前記オフセット電圧指令が重畳された出力電圧指令に従って電力変換器の半導体スイッチング素子を駆動する手段と、を備えたものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、電力変換器の出力電流の大きさに応じて、前記可動部の位置を制御するためのオフセット電圧指令を発生する手段と、
前記オフセット電圧指令を電力変換器の出力電圧指令に重畳する手段と、
前記オフセット電圧指令が重畳された出力電圧指令に従って電力変換器の半導体スイッチング素子を駆動する手段と、を備えたものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、電力変換器の出力電力の大きさに応じて、前記可動部の位置を制御するためのオフセット電圧指令を発生する手段と、
前記オフセット電圧指令を電力変換器の出力電圧指令に重畳する手段と、
前記オフセット電圧指令が重畳された出力電圧指令に従って電力変換器の半導体スイッチング素子を駆動する手段と、を備えたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態が適用されるリニアコンプレッサ３’の駆動システムであり、図１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。図から明らかなように、このリニアコンプレッサ３’では、ピストンの位置を検出するための位置センサがシリンダ６内から除去されている。
【００１７】
図２は、本実施形態における単相インバータ２の制御ブロック図である。この図においても、図１１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では図１１と異なる部分を中心として構成及び動作を説明する。
【００１８】
すなわち、図２の制御ブロック図では、係数器１４からの出力電圧指令に加算されるオフセット電圧の発生手段が図１１と異なっている。
ここで、図３は、単相インバータ２の出力電圧を変化させたときのピストン（例えば５Ａ）の中心位置の測定結果を示している。この図３によれば、単相インバータ２の出力電圧がＶ_１から増加するに伴ってピストン５Ａの中心位置がずれていくことがわかる。従って、ピストン５Ａの中心位置を一定とするには、図３に波線のハッチングで示す変位部分を打ち消すように出力電圧を調整すればよく、具体的には、図４に示すごとく、出力電圧の大きさ（振幅）がＶ_１より大きい領域では出力電圧が増加するにつれてオフセット電圧を増加させればよい。
【００１９】
つまり、図２に示すように、電圧指令（振幅指令）をオフセット指令発生器２６に入力し、電圧の振幅が所定値Ｖ_１以上になった場合に図４の特性となるようなオフセット電圧指令を発生させて加算器２５に入力すればよい。ここで、図４の特性はテーブルとしてオフセット指令発生器２６に内蔵しておく。
これにより、位置センサによるピストンの位置情報を用いることなく電圧指令のみを用いてオフセット電圧指令を求め、これを元の電圧指令に重畳してインバータ２を駆動することでピストンの中心位置の変動を防止することができ、ひいてはピストン５Ａ，５Ｂ同士の衝突によるリニアモータ４Ａ，４Ｂの破損を回避することができる。
【００２０】
次に、図５は本発明の第２実施形態が適用されるリニアコンプレッサ３’の駆動システムであり、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
この実施形態においても、シリンダ６内に位置センサが設けられておらず、リニアモータ４Ａ，４Ｂを流れる電流を電流検出手段７により検出してオフセット電圧を生成するように構成されている。
【００２１】
図６は、本実施形態における単相インバータ２の制御ブロック図である。以下では、図２と異なる部分を中心として構成及び動作を説明する。
ピストン５Ａ，５Ｂのストロークはモータの推力にほぼ比例し、ストロークが大きいほど圧縮時と膨張時の差圧が大きくなってピストンの変位が増加する。そこで、この実施形態では、モータ電流の大きさがモータの推力にほぼ比例することに着目し、モータ電流に基づいて出力電圧指令に重畳するオフセット電圧指令を決定し、ピストン５Ａ，５Ｂの変位を抑制するようにした。
【００２２】
すなわち、モータ電流の大きさにほぼ比例してモータの推力が変化し、ピストンの変位もほぼ比例すると考えられる。従って、図７に示すようにモータ電流の大きさ（振幅）に応じてオフセット電圧指令を変化させ、このオフセット電圧指令を出力電圧指令に加算することとする。
図６の制御ブロック図では、図５に示す電流検出手段７により検出した正弦波状のモータ電流を電流大きさ変換手段２７に入力してその大きさを求め、図７の特性をテーブルとして内蔵したオフセット指令発生器２６によりモータ電流の大きさに応じたオフセット電圧指令を求めて加算器２５に入力する。
【００２３】
この実施形態においても、位置センサによるピストンの位置情報を用いることなくピストンの中心位置の変動を防止し、ピストン５Ａ，５Ｂ同士の衝突によるリニアモータ４Ａ，４Ｂの破損を回避することができる。
【００２４】
次いで、図８は、本発明の第３実施形態における単相インバータ２の制御ブロック図である。なお、この実施形態が適用されるリニアコンプレッサ３’の駆動システムの構成は図５と同様であり、シリンダ６内に位置センサがなく、リニアモータ４Ａ，４Ｂの電流を検出する電流検出手段７が設けられている。
以下では、図２、図６と異なる部分を中心として第３実施形態の構成及び動作を説明する。
【００２５】
一般にリニアモータでは、駆動周波数が一定の場合、モータの損失を無視すればモータの推力はモータの有効電力に比例し、前述したようにモータの推力とピストンの変位もほぼ比例関係にある。
そこで、この実施形態では、図８に示すようにモータ電流と単相インバータ２の出力電圧指令とを乗算器２８により乗算して皮相電力を求め、この皮相電力を有効電力抽出手段２９に入力して有効電力の大きさを抽出する。抽出した有効電力の大きさに基づきオフセット指令発生器２６がオフセット電圧指令を決定し、これを加算器２５に入力して出力電圧指令に加算することにより、ピストン位置を中心位置に制御するようにした。なお、図９は有効電力の大きさとオフセット電圧指令との概略的な関係を示すものであり、この特性はオフセット指令発生器２６にテーブルとして内蔵されている。
【００２６】
この実施形態においても、位置センサによるピストンの位置情報を用いずにピストンの中心位置の変動を防止し、ピストン５Ａ，５Ｂ同士の衝突によるリニアモータ４Ａ，４Ｂの破損を回避することができる。
なお、負荷力率がほぼ一定であれば、有効電力の代わりに皮相電力をそのまま用いることができ、これによって有効電力抽出手段２９を省略することが可能である。また、電力の演算に当たっては、単相インバータ２の出力電圧指令ではなく出力電圧検出値を用いても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電力変換器の出力電圧指令に対し、電圧、電流または電力に基づいて生成したオフセット電圧指令を重畳することにより、従来のように可動部の位置センサを用いなくても可動部の位置を適切に制御して、可動部やリニアモータ自体の破損を回避しつつ運転することができる。
このため、設置環境に制約があってコスト上昇の一因ともなる位置センサを不要とし、リニアモータの制御装置を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態が適用されるリニアコンプレッサの駆動システムを示す図である。
【図２】第１実施形態における単相インバータの制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態におけるインバータ出力電圧とピストン中心位置との関係を示す図である。
【図４】第１実施形態におけるインバータ出力電圧とオフセット電圧との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２，第３実施形態が適用されるリニアコンプレッサの駆動システムを示す図である。
【図６】第２実施形態における単相インバータの制御ブロック図である。
【図７】第２実施形態におけるモータ電流とオフセット電圧との関係を示す図である。
【図８】第３実施形態における単相インバータの制御ブロック図である。
【図９】第３実施形態における有効電力とオフセット電圧との関係を示す図である。
【図１０】従来のリニアコンプレッサの駆動システムを示す図である。
【図１１】図１０における単相インバータの制御ブロック図である。
【符号の説明】
１：直流電源
２：単相インバータ
３’：リニアコンプレッサ
４Ａ，４Ｂ：リニアモータ
５Ａ，５Ｂ：ピストン
６：シリンダ
７：電流検出手段
１１：積分器
１２：正弦波テーブル
１３，２８：乗算器
１４，１５：係数器
１６：キャリア発生器
１７，１８：比較器
１９：分配器
２０：デッドタイム生成手段
２１：ゲートドライバ
２５：加算器
２６：オフセット指令発生器
２７：電流大きさ変換手段
２９：有効電力抽出手段
Ｑ_１〜Ｑ_４：半導体スイッチング素子

Claims

電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、
電力変換器の出力電圧の大きさに応じて、前記可動部の位置を制御するためのオフセット電圧指令を発生する手段と、
前記オフセット電圧指令を電力変換器の出力電圧指令に重畳する手段と、
前記オフセット電圧指令が重畳された出力電圧指令に従って電力変換器の半導体スイッチング素子を駆動する手段と、
を備えたことを特徴とするリニアモータの制御装置。
電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、
電力変換器の出力電流の大きさに応じて、前記可動部の位置を制御するためのオフセット電圧指令を発生する手段と、
前記オフセット電圧指令を電力変換器の出力電圧指令に重畳する手段と、
前記オフセット電圧指令が重畳された出力電圧指令に従って電力変換器の半導体スイッチング素子を駆動する手段と、
を備えたことを特徴とするリニアモータの制御装置。
電力変換器により駆動され、かつ、負荷としての可動部を往復運動させるようにしたリニアモータにおいて、
電力変換器の出力電力の大きさに応じて、前記可動部の位置を制御するためのオフセット電圧指令を発生する手段と、
前記オフセット電圧指令を電力変換器の出力電圧指令に重畳する手段と、
前記オフセット電圧指令が重畳された出力電圧指令に従って電力変換器の半導体スイッチング素子を駆動する手段と、
を備えたことを特徴とするリニアモータの制御装置。